碳质孕育含Fe、Mn的Mg-Al熔体中晶核的生成与演变及其结构特性

本课题拟解决Mg-Al系合金碳质孕育后Fe、Mn是否"毒化"晶核并抑制细化效果存在分歧这一普遍问题，对含Fe、Mn的Mg-Al熔体进行碳质孕育处理，研究Fe、Mn在碳质孕育Mg-Al熔体中晶核生成和结构演变过程中的作用机制，揭示二元Al-C晶核转化为Al-C-Fe(Mn)多元粒子的结构特性、工艺条件与Fe、Mn是否"毒化"晶核三者之间的内在本质关系。研究Fe、Mn对Al-C-Fe(Mn)多元相结构特征的影响规律，探讨二元晶核演变为多元晶核的形成途径、及其形成途径对其结构特性的影响机制，研究演变过程的热力学条件和动力学机制。最终揭示出碳质孕育Mg-Al熔体中Fe、Mn"毒化"晶核与否的本质机制，针对含Fe、Mn的Mg-Al熔体的碳质孕育提出新的细化机制，扩展镁合金的晶粒细化理论，具有重要的理论价值。本课题应用背景明确，对Mg-Al系合金用高效晶粒细化剂的开发具有重要的指导意义。

本项目基本上完成了预定内容，主要针对Fe(Mn)在Mg-Al熔体碳质孕育晶核生成与结构演变过程中的作用机制，揭示碳质孕育Mg-Al熔体中Fe(Mn)“毒化”晶核与否及其与工艺条件之间的内在关系。获得以下几方面的重要结果：. Fe(Mn)对Mg-Al合金碳质孕育细化效果的影响与Fe(Mn)添加和碳质孕育交互处理顺序密切相关，即若Fe(Mn)预先存在于Mg-Al熔体再碳质孕育，则Fe(Mn)对细化效果无明显影响，此时有利于Al-(C)-Fe(Mn)相表面包覆有Al4C3的双相粒子生成并作为有效形核核心；反之，Fe(Mn)会显著抑制细化效果，晶粒粗化，此时碳质粒子主要为单相Al-C-Fe(Mn)粒子，其不是初晶α-Mg有效形核核心，即晶核被“毒化”。. 对于Mg-Al合金，碳质孕育后无明显的孕育衰退现象，Al4C3形核粒子随着保温时间延长会自身长大或相互聚集变大，其尺度和分布密度保持稳定。但若熔体含Fe(Mn)，则碳质孕育保温超过30分钟晶粒即开始粗化，出现显著孕育衰退。在孕育初期，有效形核粒子主要以Al4C3和Al4C3表层包覆Al-(C)-Fe(Mn)相的双相粒子为主。但随保温时间进一步延长，有效形核粒子发生聚集沉降，双相Al-C-Fe(Mn)粒子也会转变为单相Al-C-Fe(Mn)化合物颗粒，导致孕育衰退。. 对于Al-C-Fe(Mn)三元合金相，其最可能为AlCFe3(AlCMn3)相。基于理论计算结果表明AlCFe3(AlCMn3)与-Mg间不存在位向关系，即AlCFe3(AlCMn3)不能作为-Mg的有效形核核心，而AlCFe3(AlCMn3)与 Al4C3间则存在位向关系，这将有利于可以作为-Mg有效形核核心的AlCFe3(AlCMn3)相表面包覆Al4C3的双相粒子的生成。Fe(Mn)对碳质孕育细化效果的影响关键在于是否有利于Al-(C)-Fe(Mn)相表面包覆有Al4C3的双相粒子生成，否则倾向于晶核“毒化”。. 本项目所取得的结果可针对Fe(Mn)是否“毒化”碳质孕育晶核并抑制细化效果这一分歧获得统一的观点，对于含Fe(Mn)的Mg-Al熔体的碳质孕育提出新的细化机制，从而扩展镁合金的晶粒细化理论，具有重要的理论价值，对于对Mg-Al系合金用高效晶粒细化剂的开发具有重要的指导意义。.